磁性材料B-H特性的測量

./磁性材料B-H特性的測量摘要：關(guān)鍵詞：B-H磁滯回線剩磁Br最大磁能積〔BHm退磁曲線矯頑力BHc一、引言磁性材料,一般只具有鐵磁性或亞鐵磁性并具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的磁有序材料。廣義的磁性材料也包括具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值或可能應(yīng)用的反鐵磁材料或其他弱磁性材料。磁性材料種類很多,磁特性參量不少。從技術(shù)應(yīng)用角度出發(fā),常關(guān)注材料的B-H特性。從B-H磁滯回線上可以方便地得到這樣一些參量：〔1剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br〔簡稱剩磁,其意義在于磁性材料被飽和磁化后,材料部磁化場下降到零時(shí),材料所保存的磁感應(yīng)強(qiáng)度值,通常Mr<Br?！?最大磁能積〔BHM,磁性材料B-H磁滯回線第二和第四象限部分稱為退磁曲線。退磁曲線上每一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度H的乘積BH稱為磁能積,其中最大者稱為最大磁能積。這是磁性材料單位體積儲存和可利用的最大磁能密度的量度。〔3矯頑力BHc,它是指磁性材料B-H退磁曲線B=0處的磁場強(qiáng)度,其意義是對磁性材料反向磁化過程中,使B=0的反向磁場大小,通常BHc<MHc。根據(jù)磁性材料矯頑力的大小,可將磁性材料分為三類,及軟磁、半硬磁及硬磁。很多變壓器鐵芯,偏轉(zhuǎn)線圈磁芯都是軟磁材料制成的。硬磁材料都是作為磁場源〔各種永久磁鐵來應(yīng)用的。磁性材料應(yīng)用十分廣泛,其特性測量方法有特殊性。學(xué)習(xí)B-H特性測量既有實(shí)用意義,又有方法學(xué)上的意義。二、實(shí)驗(yàn)原理磁學(xué)量多為導(dǎo)出量,例如電流、電壓、作用力等可以直接測量,但磁通、磁感應(yīng)強(qiáng)度等必須借助熱學(xué)的、電學(xué)的、光學(xué)的物理量測量結(jié)果推算出來。常用的且方便的方法是利用電磁感應(yīng)定律,從測量的電學(xué)量推算出磁學(xué)量。根據(jù)法拉第定律,一個開路線圈的磁通發(fā)生變化時(shí),其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓〔1如果線圈很截面積S、匝數(shù)N均為定值,則〔2對感應(yīng)電壓積分有〔3則有〔4對線圈兩端感應(yīng)電壓進(jìn)行積分,有許多辦法和儀器,用得比較普遍的是有源積分器。基本的R-C有源積分器如圖1所示。圖1有源積分器基本原理圖圖1有源積分器基本原理圖考慮到運(yùn)算放大器有很大的輸入阻抗和輸入端可看成"虛地"的性質(zhì),有如下關(guān)系：〔5若適當(dāng)選擇R、C的數(shù)值,滿足,f為輸入信號頻率,則〔6〔7若,則〔8〔9三、實(shí)驗(yàn)儀器圖2是根據(jù)法拉第感應(yīng)定律用有源積分器進(jìn)行B-H磁滯回線測量的儀器框圖。圖2B-H回線測量儀器框圖圖2B-H回線測量儀器框圖其中函數(shù)發(fā)生器和功率放大器給磁化裝置提供隨時(shí)間變化的磁化電流,磁通變化率檢測裝置〔檢測線圈將感應(yīng)電壓送給積分器,積分器輸出與磁通Φ成正比的信號至X-Y記錄儀的Y輸入。外加磁場測量裝置測出與磁場對應(yīng)的信號送至X-Y記錄儀的X輸入。于是記錄到Φ-H曲線。再通過Φ與B的關(guān)系算出B-H曲線。反饋網(wǎng)絡(luò)是為了控制函數(shù)發(fā)生器的掃描速度在Φ變化劇烈區(qū)間,Φ變化緩慢些,以便記錄更精確。四、硬磁材料的B-H磁滯回線測量硬磁材料矯頑力BHc高,飽和磁化場HS高。因此長江待測樣品夾在電磁鐵兩磁極間,并盡可能使樣品兩端面平行光潔,與電磁鐵兩磁極緊密接觸,以避免在樣品出現(xiàn)退磁場。在樣品上緊密繞N匝線圈,線圈兩端接入高輸入阻抗的有源積分器。利用磁場的切向連續(xù)性,將特斯拉計(jì)探頭緊靠樣品表面,測出樣品的磁化場H。圖3為測量裝置示意圖。圖3硬磁材料B-H磁滯回線測量裝置圖3硬磁材料B-H磁滯回線測量裝置B-H磁滯回線的第二〔第四象限部分稱退磁曲線,如圖4所示。如將退磁曲線上各點(diǎn)的H值和B值相乘后,可發(fā)現(xiàn)乘積中有一個最大值,稱為最大磁能積,即為〔HBM,是硬磁材料最重要的參數(shù)之一,并可近似地從作圖法求得,即分別從Br和Hc作H軸與B軸的平行線交于O’,則直線O-O’與退磁曲線的交點(diǎn)P所對應(yīng)的H與B值,就是達(dá)到該種硬磁材料最大磁能積的相應(yīng)值。當(dāng)利用硬磁材料產(chǎn)生恒定磁場時(shí),就應(yīng)根據(jù)實(shí)際可能,盡量將硬磁材料器件的形狀設(shè)計(jì)成使該器件出于該種材料最大磁能積所對應(yīng)的BM處。圖4退磁曲線圖4退磁曲線五、軟磁材料的B-H磁滯回線測量軟磁材料的Hc低,飽和磁化場HS低,一般情況將樣品制成環(huán)狀,作如圖5的配置。在磁化線圈Ni過適當(dāng)?shù)慕蛔冸娏魇蛊浯呕?。線圈N2為檢測線圈,其兩端電壓。圖5軟磁材料B-H回線測量裝置圖5軟磁材料B-H回線測量裝置磁化場H的測量可以根據(jù)安培環(huán)路定律,通過測量磁化線圈Ni中的電流得到,即〔10其中L為環(huán)的平均長度。又,因此可將r1上的電壓信號送至X-Y記錄裝置的X輸入端,將積分器的輸出送X-Y記錄儀的Y輸入端,記錄到Φ-H回線。在如圖5所示的測量方法中,,其中S為樣品環(huán)的截面積。從而由Φ-H回線,很容易得到B-H磁滯回線。測量軟磁材料的直流特性,甚低頻特性時(shí),X-Y記錄儀常用計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)等。測量軟磁材料的交流特性,特別是高頻特性,記錄裝置可用示波器。六、實(shí)驗(yàn)容測出環(huán)狀鐵氧體永磁材料,塊狀硬磁材料,環(huán)狀高頻磁芯和軟鐵環(huán)的Φ-H曲線。根據(jù)Φ-H曲線,畫出B-H曲線,按圖6所示的定義,算出剩磁Br,矯頑力BHc,最大磁能積〔HBM。待測量亦可在Φ-H曲線上測出。圖6B-H磁滯回線圖6B-H磁滯回線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理1、實(shí)心磁鐵測量數(shù)據(jù)與處理〔1、磁鐵直徑測量如表1所示表1磁鐵直徑測量測量一/cm測量二/cm測量三/cm平均值/cm2.652.682.692.67由此可以計(jì)算得到實(shí)心磁鐵的面積。、實(shí)驗(yàn)室儀器給出的Φ-H圖像如圖7所示圖7實(shí)驗(yàn)室儀器給出的Φ-H圖像、用origin作出B-H圖像線圈匝數(shù)N=10匝,由磁通量公式可以求得磁感應(yīng)強(qiáng)度B,從而作出B-H圖像如圖8所示。圖8用origin作出B-H圖像根據(jù)圖8可以得到剩磁,矯頑力,在時(shí),有最大磁能積。2、環(huán)形磁鐵測量數(shù)據(jù)與處理〔1、空心線圈與環(huán)形磁鐵直徑測量空心線圈徑測量如表2所示,環(huán)形磁鐵外徑測量如表3所示。表2空心線圈徑測量測量一/cm測量二/cm測量三/cm測量四/cm平均值d0/cm3.403.403.453.453.43表3環(huán)形磁鐵外徑測量測量一/cm測量二/cm測量三/cm測量四/cm平均值/cm徑1.821.821.851.80d1=1.82外徑3.193.203.183.15d2=3.18由此可以計(jì)算空心線圈與環(huán)形磁鐵的面積分別為,。、空心線圈測量對于空心線圈有,其中a為線圈常數(shù)。實(shí)驗(yàn)室儀器所測圖像如圖9所示。圖9空心線圈Φ-H圖像通過數(shù)據(jù)用origin所作圖并作現(xiàn)行擬合后如圖10所示。圖10用origin所作Φ-H圖像由圖10可以得到Φ-H圖像斜率即線圈常數(shù),因此可以得到線圈匝數(shù)。、樣品測量對于樣品,由于空心線圈面積大于環(huán)形磁鐵,故環(huán)形磁鐵周圍存在空隙。下面推導(dǎo)此種情況下環(huán)形磁鐵磁感性強(qiáng)度B與總磁通量Φ和磁場H的關(guān)系：上式表示總磁通量Φ應(yīng)該為空隙磁通量Φ0和磁鐵磁通量Φ1之和,其中為空隙面積。由此可得由此根據(jù)Φ-H圖像可以算出B,從而得到B-H的關(guān)系圖。實(shí)驗(yàn)室儀器給出的Φ-H圖像如圖11所示,用origin作出的B-H的關(guān)系圖如圖12所示。圖11實(shí)驗(yàn)室儀器給出的Φ-H圖像圖12用origin作出的B-H的關(guān)系圖由圖12可以得到剩磁,矯頑力,在時(shí),有最大磁能積。思考題1、如何利用B-H回線算出稟